中国科学技术大学材料演化与断裂控制实验室：揭示轻质抗断裂点阵超材料的增韧新机制

来源：摩方高精密

随着航空航天、柔性电子等领域对轻质高性能材料的需求快速增长，点阵超材料因其优异的轻质高强韧特性受到广泛关注。然而，增材制造不可避免引起裂纹等制造缺陷，严重制约了点阵超材料在实际工程中的应用。与连续介质不同，点阵超材料具有离散结构特征，这可能导致非线性变形，并在含裂纹情况下显著影响裂尖场的分析。

近日，中国科学技术大学倪勇教授、何陵辉教授课题组系统揭示了点阵超材料中杆件屈曲诱导裂纹钝化的非线性增韧机制，发现了比断裂能随相对密度降低而反常上升的标度律关系。该研究相关研究成果以题为“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials”的论文发表在国际著名学术期刊《Advanced Materials》期刊上。

图1. 不同离散系统中的增韧机制与点阵超材料中杆件屈曲引起的比断裂能反常标度律。

传统连续介质断裂力学理论主要考虑裂纹尖端的应力奇异性，而研究团队发现在低相对密度条件下，点阵超材料的离散特征使得受压杆件在裂尖区域会发生屈曲，从而钝化裂纹前沿，显著抑制裂纹扩展（图1a）。系统的实验与数值模拟显示，当相对密度低于临界值时，点阵超材料的比断裂能（单位质量断裂能）随相对密度降低而显著提升，呈现超轻高韧特性（图1b-c）。这种反常变化在包括Kagome、八角桁架等多种二维与三维结构中均得到了验证，揭示了该增韧机制的普适性（图2a）。实验样品采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2μm）3D打印系统制造，使得裂纹形貌、单元尺寸和边界条件均得到了高精度实现，为系统开展裂纹起始实验与数字图像相关（DIC）应变分析提供了坚实技术支撑（图1b）。

图2. 点阵超材料中杆件屈曲引起断裂增韧的普遍机制与结构增韧设计。

研究团队基于裂尖杆件非线性屈曲调控能量耗散的增韧机制，系统建立了归一化韧性-相对密度预测模型，提出可通过杆件长径比、材料模量等参数优化屈曲响应。此外，研究团队提出了一种非均匀结构设计的新型增韧策略。基于此原理设计的非均匀点阵结构（图2b）成功诱导杆件屈曲，从而影响裂尖应力场，使超轻材料的断裂能得到大幅提升（图2c）。这些发现证实，通过精准调控裂尖杆件的非线性变形行为及其能量耗散路径，可在超低密度下实现高断裂韧性，为复杂结构点阵超材料的强韧力学设计提供了新范式（图2d）。

总结：研究团队的工作系统揭示了离散点阵超材料中通过杆件屈曲失稳调控裂纹尖端场的新型增韧机制，建立了结构参数与断裂性能的定量映射关系，为发展超轻高韧材料提供了理论框架和设计方法。该成果为新一代超轻强韧材料开发开辟了新路径，有望进一步推动轻质点阵超材料在航空航天、柔性电子等领域的发展与应用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202419635